§ 29. Электромагнитная природа света

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Переменным называют поле, которое меняется со временем. Это понятие нужно, чтобы описывать перенос электромагнитных колебаний от источника на расстояние.

Электромагнитная природа света означает, что видимый свет является электромагнитной волной. Поэтому свойства света можно объяснять через электрическое и магнитное поля, а не только через лучи. Такое представление связывает оптику с учением об электромагнетизме.

Электромагнитная волна является поперечной: векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Векторы показывают, куда направлено поле в каждой точке. Это описание помогает установить ориентацию полей и переноса энергии.

В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света c, приблизительно равной 3 · 10⁸ м/с. Длина волны λ — расстояние между соседними одинаково колеблющимися точками, а частота ν — число колебаний за секунду. Их связь со скоростью выражает формула c = λν, нужная для расчётов и сравнения излучений.

Как это устроено

Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне не существуют как неподвижный набор отдельных участков. Изменение электрического поля связано с возникновением магнитного, а изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, связано с электрическим. Поэтому возмущение поля может поддерживать дальнейшее распространение, а не оставаться только возле источника. Так возникает электромагнитная волна.

Существование таких волн предсказал Джеймс Максвелл, исходя из законов электричества и магнетизма. Позднее Генрих Герц поставил опыты, в которых создавал и обнаруживал электромагнитные волны. Он показал, что они распространяются и проявляют волновые свойства. Опыты стали экспериментальным подтверждением идеи Максвелла и укрепили представление о природе света.

Направления полей можно представить на примере волны, распространяющейся вдоль прямой. Электрическое поле направлено поперёк этой прямой, а магнитное — поперёк и электрического поля, и направления движения волны. Значит, ни одно из этих полей не колеблется вдоль направления распространения. Такая взаимная ориентация объясняет, почему электромагнитную волну называют поперечной.

Видимый свет — только небольшой участок общего электромагнитного спектра, то есть ряда электромагнитных излучений, расположенных по длинам волн или частотам. По соседству с ним находятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, а дальше — радиоволны, микроволны, рентгеновское и гамма-излучение. Границы между областями не означают, что меняется сама природа волн. Излучения отличаются прежде всего длиной волны и частотой, а глаз воспринимает лишь видимый диапазон.

Электромагнитная волна может распространяться без вещества, потому что изменяющиеся поля связаны друг с другом и не нуждаются в частицах среды для передачи колебаний. В вакууме скорость такой волны равна скорости света. За время одного колебания волна проходит расстояние, равное длине волны, поэтому скорость можно найти как произведение длины волны на частоту: c = λν. При неизменной скорости большая частота соответствует меньшей длине волны.

Виды электромагнитного излучения

Читайте таблицу как последовательность от длинных волн и низких частот к коротким волнам и высоким частотам. Соседние области спектра различаются длиной волны и частотой, но все перечисленные излучения являются электромагнитными. Примеры в последнем столбце показывают, где излучения встречаются или применяются.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему видимый свет относят к электромагнитным волнам. Нужно связать известное свойство света с описанием электромагнитной волны. Одного указания на то, что свет переносит энергию, недостаточно: важно назвать поля, которые в нём изменяются. Рассуждение опирается на устройство волны, а не только на её видимое действие.

1. Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся переменное электромагнитное поле.
2. В световой волне электрическое и магнитное поля изменяются и связаны между собой.
3. Следовательно, видимый свет обладает признаками электромагнитной волны и относится к электромагнитному спектру.

Ответ: видимый свет — электромагнитная волна, потому что его распространение связано с изменениями электрического и магнитного полей. Он не является отдельным от других излучений видом волн по природе. Его отличие от радиоволн или рентгеновского излучения состоит в диапазоне частот и длин волн.

Задача 2. Найти длину волны радиосигнала частотой 100 МГц в вакууме. Длина волны связана со скоростью и частотой формулой c = λν. Для ответа скорость света берём в метрах в секунду, поэтому частоту сначала переводим из мегагерц в герцы. Это важно: подстановка числа 100 без перевода даст неверный результат.

1. Записываем частоту в единицах СИ: ν = 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц.
2. Выражаем длину волны: λ = c/ν.
3. Подставляем значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(1 · 10⁸ с⁻¹) = 3 м.

Ответ: длина волны радиосигнала равна 3 м. Проверка: при частоте 10⁸ колебаний в секунду волна длиной 3 м проходит за секунду примерно 3 · 10⁸ м. Это соответствует скорости света в вакууме.

Задача 3. Световая волна распространяется вдоль оси x, а электрическое поле направлено вдоль оси y. Требуется определить направление магнитного поля. Поля должны быть перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Кроме того, при выборе направления важно учесть, куда переносится энергия волны.

1. Направление распространения задано вдоль положительной оси x, а электрическое поле направлено вдоль положительной оси y.
2. Магнитное поле должно быть перпендикулярно обоим этим направлениям, поэтому оно направлено вдоль оси z.
3. Выбираем знак направления по правилу правой руки: направление переноса энергии задаёт векторное произведение E × B. Чтобы оно было направлено вдоль +x, поле B должно быть направлено вдоль +z.

Ответ: магнитное поле направлено вдоль положительной оси z. Направления трёх векторов образуют взаимно перпендикулярную систему. Если бы распространение шло вдоль отрицательной оси x при прежнем направлении E, направление B пришлось бы изменить на противоположное.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что свету нужна материальная среда. Так думают, потому что многие знакомые волны, например звук, распространяются в веществе. Но электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Проверка: вспомните, что солнечный свет проходит через пространство между Солнцем и Землёй.

Ошибка: считать электрическое и магнитное поля параллельными. Иногда поля представляют одной линией или путают с направлением движения волны. На самом деле поля перпендикулярны друг другу, и каждое перпендикулярно направлению распространения. Проверяйте рисунок или описание по всем трём направлениям сразу.

Ошибка: отождествлять видимый свет со всем электромагнитным спектром. Это происходит потому, что зрение позволяет непосредственно наблюдать только свет видимого диапазона. Однако спектр включает также радио-, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Для самопроверки перечислите области по порядку и помните, что глаз воспринимает лишь одну из них.

Ошибка: подставлять частоту в мегагерцах без перевода в герцы. При расчётах легко забыть, что скорость света обычно дана в м/с, а формула требует согласованных единиц. Тогда ответ отличается от правильного в миллион раз. Перед вычислением переведите МГц в Гц и проверьте, что единицы сократились до метров.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о механической волне, частоте и длине волны. Если уже знакомо соотношение скорости, длины волны и частоты, то формула c = λν становится понятной как применение знакомой связи к электромагнитному излучению. Разница в том, что электромагнитной волне для распространения не требуется вещество.

Тема связывает представления об электрическом и магнитном полях с волновыми явлениями и оптикой. Свет можно рассматривать как волну, но его свойства объясняются также через поля. Это помогает увидеть, что явления, изучаемые в разных разделах физики, описывают взаимосвязанные стороны природы.

Представление об электромагнитном спектре пригодится при изучении радиосвязи, оптических явлений и действия излучения. Оно помогает сравнивать волны по длине и частоте и понимать, почему разные излучения по-разному применяют. Например, радиосвязь использует радиоволны, а медицинская диагностика может использовать рентгеновское излучение.

Что запомнить

• Свет имеет электромагнитную природу.
• Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.
• Электрическое и магнитное поля в волне взаимно перпендикулярны.
• Оба поля перпендикулярны направлению распространения волны.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
• Длина волны, частота и скорость связаны формулой c = λν.
• Видимый свет — часть электромагнитного спектра.